¿Qué es una partícula sin masa? ¿Cómo es posible ser a la vez algo y nada?

Me encanta esta pregunta porque muestra una idea de la realidad, en lugar de una aceptación ciega del dogma transmitido. ¿Tiene sentido que una partícula no pueda tener masa? ¿De qué demonios está hecho, entonces? Mi respuesta es campos . Para citar el Capítulo 1 de mi libro, que se puede leer gratis en Comprender la física a través de la teoría cuántica de campos:

No es fácil cambiar nuestra imagen intuitiva de la materia de algo que existe en el espacio a una propiedad abstracta del espacio [es decir, campos]. Sin embargo, verá que no hay nada paradójico o inconsistente sobre QFT: es simplemente diferente de lo que está acostumbrado. Incluso puede encontrar (como yo) que la imagen de campo de la naturaleza es filosóficamente más satisfactoria que la partícula. (Si la naturaleza está hecha de partículas, uno no puede evitar preguntarse de qué están hechas, mientras que las partículas puntuales como base de la realidad es un concepto que simplemente no puedo aceptar).

Además de esto, QFT se basa en las matemáticas que son las ecuaciones más hermosas “desde los primeros principios” que he visto o podría imaginar. Si sigue leyendo, como dijo Einstein una vez, “una buena cantidad de paciencia y fuerza de voluntad”, obtendrá una comprensión básica de la única teoría coherente y no paradójica de lo que está hecho el mundo: los campos cuánticos . Para citar a Julian Schwinger:

… estos dos conceptos clásicos distintos [partículas y campos] se fusionan y se trascienden en algo que no tiene contraparte clásica: el campo cuantificado que es una nueva concepción propia, una unidad que reemplaza la dualidad clásica. – J. Schwinger ( Mecánica cuántica: simbolismo de las mediciones atómicas , 2001)

Haga clic en el enlace de arriba y lea todo el capítulo. Estaras contento de haberlo hecho.

Permítanme presentarles una “paradoja” similar: ¿cómo puede una persona ser no abogada? Si la persona no es abogada, ¡seguramente no existe!

¿Por qué hago esa pregunta? Porque ando con muchos abogados, y tal vez soy tan presuntuoso que no reconozco la existencia de no abogados. No son nada para mi.

De acuerdo, en realidad no. Pero es el mismo fenómeno. Al igual que una persona que hace mi pregunta está muy centrada en el abogado, su pregunta está muy centrada en la masa. Claro, cada interacción que tienes con la materia implica masa. Pero al igual que hay otras profesiones no jurídicas que las personas pueden tener, hay otras formas en que la materia puede interactuar con otra materia. Implícita en esa última oración está una caracterización de “existencia”: una cosa existe si interactúa de manera medible con otra materia.

Los fotones son partículas sin masa, pero interactúan electromagnéticamente. De hecho, esa interacción es importante: es por esa interacción que puedes ver el mundo que te rodea. La manzana en su escritorio refleja una compleja serie de fotones que colectivamente le dicen que es una manzana, y no un trozo de plomo en forma de manzana.

En términos más generales, hay cuatro fuerzas fundamentales que gobiernan toda interacción conocida de la materia con otra materia: fuerza gravitacional, fuerza electromagnética, fuerza nuclear débil y fuerza nuclear fuerte. Todo lo que interactúa a través de cualquiera de esas fuerzas “existe”, incluso si no interactúa a través de otras de esas fuerzas.

¿Qué es una partícula sin masa?

Una definición simple:

Una partícula que no tiene masa. Esto significa una partícula sin energía.

¿Es posible que algo no tenga energía? Puede ser eso es absurdo. Hablemos de algunas partículas.

Antes que nada, hablemos de todas las partículas fundamentales.

Gluones, fotones, gravitones (aún por descubrir) y bosones vectoriales, todos son partículas fundamentales. No tienen masa en reposo y todos viajan a la velocidad de la luz. ¿Eso significa que no tienen energía en absoluto? Si y no.

Sí, siendo la masa en reposo cero, tienen cero energía en reposo.

No, su energía total no es cero porque tienen una masa relativista finita.

Esto significa que tales partículas nunca pueden estar en reposo. Tienen energía e impulso ambos.

Del mismo modo, los neutrinos tampoco tienen masa en reposo, pero tienen energía e impulso como otras partículas fundamentales.

Los electrones nunca pueden tener energía de reposo cero. Igual es el caso con los protones. Ambos tienen masa en reposo.

No hay caso como ser algo y luego nada. Ni con electrones o protones ni con todas las partículas fundamentales.

Las partículas de física cuántica son los objetos indivisibles más pequeños en física, estos objetos tienen propiedades asociadas con ellos que determinan cómo interactúan con otras partículas. Cuando pensamos en una partícula en el sentido cotidiano, pensamos en pequeñas bolas sólidas que pueden chocar y rebotar entre sí y no pueden pasar entre sí. Pero esas propiedades como las colisiones sólidas y de cuerpo sólido no son propiedades fundamentales de la materia, son propiedades de las moléculas, los electrones de una molécula repelen los electrones de otra molécula, los protones en el centro cancelan los efectos repulsores de los electrones a menos que obtenga las moléculas están lo suficientemente cerca como para que la distancia entre los electrones sea significativamente menor que la distancia entre electrones y protones en comparación, los átomos son tan pequeños que esta corta distancia que aumenta la repulsión de electrones nos parece una barrera instantánea, por lo que la propiedad de Una pared sólida es realmente la repulsión de electrones a través del campo de fuerza electromagnética. En física cuántica, las partículas pueden ser análogas a nuestras pequeñas bolas sólidas que chocan entre sí, por ejemplo, el principio de exclusión de Pauli describe cómo ciertas partículas no pueden tener los mismos estados cuánticos, lo que es análogo a cómo dos canicas no pueden estar en el mismo lugar, pero es un proceso físico completamente diferente, la física cuántica describe de dónde provienen las propiedades de nuestras pequeñas partículas esféricas hechas de moléculas. Entonces, una partícula en física cuántica es análoga a pequeñas partículas hechas de moléculas, pero no lo son. Una partícula de física cuántica sin masa es un objeto cuya propiedad de masa es cero, pero puede tener algunas otras propiedades físicas cuánticas que determinan cómo interactúa con otras partículas cuánticas como no cero.

La mayoría de las partículas que conocemos tienen masa. Pero algunos no. Por ejemplo, los fotones, el
partículas asociadas con la luz, no tienen masa. La misa, sin embargo, no es lo mismo
como “ser algo”. En una definición, la masa es la propiedad que hace
Las partículas interactúan con la gravedad. Las partículas con masa ejercen gravedad y responden
a la gravedad Los átomos de todo lo que nos rodea están formados por partículas como
electrones y protones que tienen masa. Entonces, si disparamos una bala, que está hecha
de átomos, se disparará en un arco descendente, moviéndose hacia la Tierra.

La masa también es la propiedad de las partículas que las hace resistir los cambios en su
movimiento. En otras palabras, la masa da inercia a las partículas. Esto explica por qué un automóvil, que
tiene mucha masa, es más difícil de empujar que un lápiz, que tiene
poca masa

Los fotones “son algo” a pesar de que no tienen masa. Son algo en el sentido de que crean efectos físicos. Por ejemplo, los fotones en un rayo láser pueden
cortar diamantes Pero no tienen masa, por lo que disparan directamente desde el láser
ligero y seguir en línea recta. No caen al suelo
como una bala hecha de electrones y protones.

¿Por qué algunas partículas tienen masa y otras no? En el fondo, todas estas partículas.
están hechos de vibraciones. Entonces, una explicación simple de la diferencia entre
los que tienen masa y los que no tienen es que vibran de manera diferente. Es dificil
imaginar que la diferencia entre una cosa débil como la luz y un átomo pesado
con mucha masa como el plomo hay una diferencia en la vibración. Pero vivimos en un
universo donde las apariencias superficiales son muy diferentes de lo que está sucediendo en
El nivel atómico microscópico.

Si entiendo su pregunta correctamente, depende de una comprensión cotidiana de que
la masa hace que las cosas sean físicas y reales. Sin embargo, una forma más precisa de ver
lo que es físico y real es respondiendo la pregunta: ¿interactúa esto?
con y causar cambios en otras cosas que son físicas y reales? Si puede
afectar otras cosas que son físicas y reales, también es real. Por supuesto, hay
más a este tema de lo que es “realmente algo” versus lo que es “nada”. Físicos
y los filósofos pueden pasar mucho tiempo discutiendo estos temas.

(Acabo de alcanzar los puntos más altos y salté los refinamientos como: hay un sentido en el que la luz puede describirse como que tiene masa y se inclina hacia grandes fuentes de
gravedad.)

Estar sin masa no significa que una partícula no sea nada; hay otras propiedades además de la masa. Carga y giro son dos de esos.

Los fotones no tienen carga ni masa, pero sí tienen espín. Tienen espín [matemática] S [/ matemática] [matemática] = \ hbar [/ matemática] y tienen dos estados de polarización asociados dependiendo de la forma en que el espín apunta en relación con la dirección del movimiento de los fotones.

Lo que en realidad significa que una partícula no tiene masa es que nunca puede ser detenida, siempre debe moverse a la velocidad de la luz.

Nadie en el universo vería que una partícula se mueva más lentamente que la velocidad de la luz.

Por eso: porque una partícula sin masa se mueve, también tiene energía de movimiento e impulso. Pero esos valores surgen completamente porque la partícula se mueve.

El impulso y la energía generan movimiento en el espacio y el tiempo.

Las partículas masivas pueden descansar, y cuando lo hacen, solo se mueven a través del tiempo; su energía en ese caso es exactamente igual a su masa.

Entonces, la idea de una partícula sin masa, aunque un poco extraña al principio, es muy natural y no significa que algo no sea nada.

Ninguna partícula es verdaderamente sin masa, porque todas las partículas tienen energía: si no tuvieran ninguna energía, no podrían hacer nada, por lo que su existencia no tendría ningún efecto, ¡incluso si tuviera sentido!

Cualquier tipo de energía da como resultado una masa, como lo da la famosa E = mc2 de Einstein. Las partículas de luz (fotones) tienen energía debido a su frecuencia: cuanto más corta es la longitud de onda, mayor es la energía, por lo que las ondas de luz cortas tienen mucha más energía que las ondas de radio largas. La energía de los fotones significa que tienen impulso y actúan como proyectiles: si golpean algo, generan una fuerza (así es como funcionan las velas solares).

Lo que las partículas como los fotones no tienen es inercia, resistencia al cambio de velocidad. Por lo tanto, siempre viajan a la velocidad más rápida posible (que se llama la “velocidad de la luz” debido a esto).

Algunas otras partículas tienen inercia y tienen una masa medible cuando no se mueven. Ejemplos de estas partículas son los electrones y quarks. Estas partículas tienen masa porque sienten la fuerza del campo de Higgs, que está en todas partes en todo el espacio. El campo de Higgs no detiene el movimiento de las partículas (no genera ningún tipo de resistencia), pero la energía que resulta de ellas significa que las partículas tienen inercia y, por lo tanto, resisten el cambio de velocidad. Hay que agregarles energía para acelerarlas. arriba y frenarlos.

Primero, la pregunta no es escribir, hay partículas (fotón = cuantos) su masa en reposo = 0, no su masa, porque está asociada con una onda, su longitud de onda L = h / p donde h es la constante de la tabla = 6-63X10 ^ -34 Js y p = mc, el momento, c velocidad de la luz. Cuando su masa en reposo es cero, significa que no está en reposo, está en estado de movimiento, su masa es m = p / c = h / Lc = h / cc / f = hf / c ^ 2 = E / c ^ 2 —-> E = mc ^ 2, esto muestra que el fotón en movimiento tiene masa m = E / c ^ 2. Por lo tanto, ninguna partícula en estado de movimiento tiene masa cero. Cuando está en reposo no hay partículas. Pero las partículas en el espacio de energía de vacío no pueden estar con energía cero de ninguna manera, por lo que no hay masa en reposo = 0, según el principio de incertidumbre.

Su pregunta tiene dos partes, algo distintas, que abordaré por separado. La respuesta a su primera pregunta es bastante aburrida, ya que esa partícula sin masa es exactamente lo que parece ser: una partícula con una masa de cero.

Su segunda pregunta es mucho más interesante, y creo que se mete más en el corazón de lo que realmente está tratando de preguntar. La respuesta simple a su pregunta, “cómo es posible ser a la vez algo y nada”, es que no es posible. Algo existe o no existe. Sin embargo, contrariamente a las implicaciones de su pregunta, una partícula sin masa no da como resultado la contradicción de la que habla. Esto se debe básicamente a que, a pesar de lo que probablemente aprendió en su clase de física de la escuela secundaria, la masa de un objeto, especialmente la masa de una partícula, no es lo mismo que su “relleno”. La masa es simplemente la medida de cuán fuertemente interactúa una partícula con el campo de Higgs. Por esa razón, una partícula sin masa no es conceptualmente diferente de una partícula sin carga.

Sin embargo, esto plantea la pregunta de qué partículas están realmente hechas. Desafortunadamente para usted, esta pregunta es el tema de más de un poco de debate entre la comunidad de física en este momento. La teoría de cuerdas nos dice que las partículas están hechas de pequeños bucles oscilantes. La teoría del campo cuántico nos dice que lo que percibimos como partículas son en realidad áreas en las que la densidad de energía en el campo latente de esa partícula es suficiente para crear lo que percibimos como una partícula (consulte la respuesta de Brooks para obtener más información). El modelo clásico nos dice que las partículas son en sí mismas elementales, y preguntar de qué están hechas es inherentemente no sensorial. Nadie puede acordar exactamente cuál de estos, si alguno de ellos, es la respuesta correcta, por lo que la respuesta a su pregunta debe ser igualmente indeterminada.

A medida que una partícula ordinaria se acelera y aumenta su velocidad, su masa aumenta. A medida que se acerca a la velocidad de la luz, su masa aumenta a un ritmo cada vez mayor, y las ecuaciones de la relatividad especial muestran que, a la velocidad de la luz, su masa se vuelve infinita. Esto solo indica que su velocidad nunca puede ser igual a la velocidad de la luz.

Entonces, ¿cómo pueden los fotones, en qué consiste la luz y cuáles son partículas, viajar a la velocidad de la luz? Bueno, tienen cero masa en reposo (su masa cuando están quietos). Esto solo significa que nunca podemos observar un fotón que está en reposo, o que viaja a cualquier velocidad por debajo de la velocidad de la luz. Entonces, en general, solo podemos observar partículas sin masa cuando viajan a la velocidad de la luz, y luego su masa puede ser casi cualquier cosa, en línea con la fórmula m = E / c2. Algunas partículas que transportan la fuerza son así, por ejemplo, gluones y gravitones (si existen).

Otros han mencionado los fotones, pero me gustaría comentar sobre los neutrinos : el neutrino electrónico parece tener una masa en reposo cero y, sin embargo, tiene espín (momento angular intrínseco). ¿Qué tan raro es eso ?
Por supuesto, siempre tiene impulso y, por lo tanto, energía cinética, por lo que nunca tiene energía relativista cero. Puede tratar eso como una masa efectiva si lo desea.

La misa es una propiedad, no una cosa. Las partículas, al contrario de su intuición, también son propiedades; son un conjunto de propiedades de los campos cuánticos que en realidad son las “cosas”.

El materialismo en su encarnación grumosa, en realidad murió hace algunos años, pero aún duele cuando golpeamos nuestras cabezas contra él.

Una partícula es un poco de masa. Un átomo es un poco de masa. Su núcleo es un poco de masa y sus electrones son bits de masa. Si unieras un átomo de hidrógeno y dos átomos de oxígeno, tu bit de masa, ahora una molécula de agua, sería un poco más grande. Y si observaras esta molécula en un estanque, la masa de agua a su alrededor sería aún mayor.
Ahora, si arrojasen una piedra a este estanque, crearía olas, y la molécula de agua que estábamos viendo antes subiría y bajaría con las olas. La ola es una ocurrencia sin masa de partículas que se mueven hacia arriba y hacia abajo. Cuando arrojas una piedra a un estanque, la energía de la piedra que cae divide el estado de reposo de las moléculas de agua en la aceleración del impulso en ondas, la energía se empuja hacia la molécula en la onda en el camino y la gravedad de la Tierra tirando La gravedad de las moléculas en la onda descendente.

Es un nombre inapropiado. Los cuerpos (sustantivos, sustantivos, objetos, sujetos, objetivos, argumentos) se mantienen distintos de los haps: acciones, verbos, procesos, emisiones, absorciones, eventos, historias. Los cuerpos son las leyes de interacción elementales como las leyes de Newton, Coulomb y Yucawa y sus derivados temporales Lense-Thirring, Ampère y Lund-Schifman (?). Los Haps son propuestos por las leyes de propagación de los derivados temporales y espaciales de los formadores como las leyes de Heaviside, Compton, de Broglie, Schrödinger, Lorentz y Rindler. Los conceptos combinan los dos como la ecuación de onda de Dirac. Los cuantos de cuerpos son motas (partículas) y los cuantos de haps son ondas. Las motas agitan; Al hacerlo, las motas están detrás de las olas. Los científicos erróneamente llaman motas de onda cuántica, especialmente cuando son inmaculadas. Las relajantes excitaciones-relajaciones de masa libre, carga y “color” son gravitòn, fòtòn y gluòn. Sin embargo, solo existen en un campo libre de materia, que no existe; por lo tanto, ninguno de ellos existe realmente. Cuando los cuerpos interactúan, se unen entre sí y transfieren masa bajo el efecto Goldstone; así, solo existen los portadores de radiación presuròn, polaritòn y mesòn (radiación adecuada, no los restos radiactivos de convección).

Una partícula es una excitación cuantificada de un campo cuántico local. Para una partícula sin masa, esta excitación no tiene espacios. En otras palabras, no hay una brecha de energía entre el estado fundamental y el estado excitado. Esta partícula puede tener un giro como en un fotón y puede o no tener carga.